新泽西海岸沿线的地下水营养物质通量及近海混合速率

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Groundwater-derived nutrient fluxes and offshore mixing rates along the New Jersey coast

本研究利用铷同位素示踪技术，测定了新泽西海岸在上升流和稳态条件下的海岸混合率（18 km2/d）及地下水向海洋的输送量（5.4×10^7 m3/d），发现其营养盐输送量显著高于穆利卡河，并指出这些数据可作为评估气候变化和人类活动影响的基准。

　　

乔安娜·A·古尔丁（Joanna A. Guldin）|查尔斯·A·舒特（Charles A. Schutte）|劳伦·E·基普（Lauren E. Kipp）

罗文大学环境科学系，新泽西州格拉斯伯勒，08085

摘要

地下水向沿海海洋的排放是支持光合作用生物所需营养物质和微量元素的重要来源。本研究利用镭同位素作为示踪剂，计算了上升流和稳态条件下的沿海混合速率，并量化了新泽西州南部沿海地区地下水带来的营养物质通量。根据²²⁴Ra的测量结果，我们得出的沿海混合速率（表观水平涡流扩散率）为18 km² d^-1（可能范围为11 – 38 km² d^-1）。通过箱模型计算得出，地下水向沿海海洋的排放量为5.4 x 10⁷ m³ d^-1（可能范围为2.8 x 10⁷ – 1.4 x 10⁸ m³ d^-1）。结合镭同位素测量结果和地下水中的营养物质浓度，我们得出硝酸盐+亚硝酸盐（NO_x）的通量为5.8 x 10⁵ mol d^-1，磷酸盐（PO₄）的通量为4.3 x 10⁴ mol d^-1，铵离子（NH₄⁺）的通量为2.5 x 10⁴ mol d^-1。这些结果表明，地下水排放是新泽西州沿海地区水和营养物质的主要来源，其贡献量与特拉华河相当，甚至超过了附近的穆利卡河（Mullica River）约200%。这些数值为评估人类活动和气候变化对地下水排放量及其质量的影响提供了基准。

引言

海底地下水排放（Submarine Groundwater Discharge, SGD）是指地下水在穿过沉积物后渗入沿海海洋的过程（Burnett等人，2003年）。在大多数研究中，SGD是淡水及营养物质进入沿海生态系统的重要途径，其贡献量超过了地表水（Santos等人，2021年）。因此，SGD对于维持沿海生态系统的健康和可持续性至关重要。从淡水和咸水交界处流入沿海水域的地下水为光合作用生物提供了必要的营养物质和微量元素，从而支持当地生态系统和渔业（Valiela等人，1990年；Moosdorf & Oehler，2017年）。了解地下水排放的规模以及其中关键营养物质的浓度对于理解进入沿海水域的养分总量至关重要。

由于人类活动的影响，未来地下水排放的量和质量可能会发生变化。污水排放和化肥使用可能会增加沿海海洋中的营养物质含量，可能导致有害藻类大量繁殖和海水缺氧（Paerl，1997年；Diaz & Rosenberg，2008年）。气候变化和加速的地下水抽取也可能影响水质，因为海平面上升和过度抽取可能导致咸水入侵（Moore & Joye，2021年）。咸水入侵淡水含水层会改变咸水-淡水界面，增加地下水的盐度，从而威胁饮用水供应（Barlow & Reichard，2010年）。盐度升高还会使某些在较高盐度下更易溶解的污染物释放到水中（Sawyer等人，2016年），从而增加这些元素进入沿海水域的通量。此外，SGD还会通过输送硫化物、氨和甲烷等物质导致沿海水域缺氧，这些物质氧化后会降低溶解氧水平（Moore等人，2024年）。鉴于这些问题，研究地下水化学成分对于制定适当的污染管理策略以保护沿海环境和渔业至关重要。

沿海混合速率（即跨大陆架的涡流扩散率）描述了海水在沿海区域混合的速度，这影响着SGD带来的营养物质和污染物的分布。了解混合速率对于管理SGD可能带来的负面影响至关重要，因为它们决定了这些物质扩散的速度和范围。较高的混合速率可以使SGD的输入物质更广泛地扩散，从而稀释营养物质和污染物的浓度；而较低的混合速率则可能导致某些区域营养物质或污染物浓度升高。因此，沿海混合速率在评估营养物质扩散范围及其对水生环境和渔业的影响方面起着关键作用。本研究地点位于一个正在规划并实施大规模海上风电开发的地区（新泽西州公共事业委员会，2020年）。未来风电涡轮机的安装可能会增加局部湍流，从而人为增加混合过程（Schultze等人，2020年）。

镭是一种常用的化学示踪剂，用于研究地下水排放量和营养物质向沿海海洋的传输（Burnett等人，2008年）。镭是一种天然存在的放射性同位素，通过沉积物中钍同位素的衰变产生，可溶于海水。当地下水储存在含水层中或海水循环通过沉积物时，其中会富集镭。镭同位素是量化地下水通量和营养物质传输的宝贵工具，因为直接测量这些通量（如使用流量计）往往具有挑战性（Rama & Moore，1996年）。四种镭同位素的半衰期不同（²²³Ra，t_1/2 = 11.4天；²²⁴Ra，t_1/2 = 3.66天；²²⁶Ra，t_1/2 = 1600年；²²⁸Ra，t_1/2 = 5.75年），因此能够整合不同空间和时间尺度上的变化。短寿命的同位素²²³Ra和²²⁴Ra特别适用于计算沿海混合速率，因为它们的衰变时间在几天范围内。

SGD的速率和分布受到大陆架沉积物组成以及海岸线位于主动边缘还是被动边缘的影响（Santos等人，2021年）。本研究在新泽西州沿海进行，该地区属于被动边缘，具有宽阔的浅大陆架、低地形起伏和沙质沉积物。由于新泽西州大陆架与其他被动边缘海岸线的结构相似，因此这里的SGD过程具有代表性。随着新泽西州及其他类似被动边缘海岸线预计将进行大规模风电开发，建立SGD的基准估计值至关重要。这些基准值将为未来的研究提供参考，便于在风电设施建设前后直接比较SGD的变化，并了解其他沿海地区对海上风电发展的响应。

本研究从新泽西州南部沿海的地下水和地表水中采集了镭和营养物质样本，以量化沿海混合速率和地下水带来的营养物质通量，并验证“地下水是该地区沿海海洋重要营养物质来源”的假设。这是首次对新泽西州南部沿海营养物质通量进行估算，提供了可用于评估人类活动、气候变化和海上风电开发影响的基准数据（Santos等人，2021年）。此外，本研究同时考虑了稳态条件和上升流时期，从而分析了地下水带来的营养物质持久性的时间变化，进一步验证了镭作为沿海混合和地下水排放示踪剂的有效性。

研究区域

研究区域

样品采集地点位于美国新泽西州南部的布里詹廷海滩（Brigantine Beach）、玛格特城海滩（Margate City Beach）和科森斯入海口州立公园（Corson’s Inlet State Park）沿岸的三条测线（分别称为T1、T2和T3；见图1）。这些测线穿越了沙质沉积物覆盖的浅大陆架，地形起伏较小，与美国东海岸其他被动边缘地区相似。样品采集点距离海岸分别为0.5、4、7.5、11、14.5和18海里（0.9、7.4、13.8公里）。

测线沿线的水文特征

2022年和2023年采样时，水柱呈分层状态，2022年表层水温为25.4°C，深层水温为10.5°C；2023年表层水温为19.1°C，深层水温为12.1°C（见图2）。2022年等密度面略微向下倾斜，表明温暖的水体分布更靠海。2023年采样时水温较低，因为采样时间较晚（6月），而2022年为8月。

讨论

2021年和2023年近岸（<15公里范围内）的镭活性与东海岸之前的研究结果相当。Moore（2000b）报告称，在卡普菲尔角（Cape Fear）到萨凡纳河（Savannah River）之间，²²³Ra的活性为2.0 dpm 100L^-1，²²⁴Ra为11 dpm 100L^-1，²²⁶Ra为18 dpm 100L^-1，²²⁸Ra为23 dpm 100L^-1。2021年和2023年远岸（>15公里范围）的镭活性也与2007年大湾河口（Great Bay Estuary）的研究结果相似：Stachelhaus等人（2012年）报告的活性约为0.05-0.40 dpm 100L^-1

结论

通过分析新泽西州南部沿海地区上升流和稳态条件下的地下水和地表水中的镭活性，我们确定了沿海混合速率和地下水通量。在稳态条件下，沿海混合速率与其他美国东海岸的估计值相当；而在上升流期间收集的数据显示混合速率较低，导致地下水通量被低估了约55%

作者贡献声明

劳伦·E·基普（Lauren E. Kipp）：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源管理、方法设计、数据收集、正式分析、概念构建。 查尔斯·A·舒特（Charles A. Schutte）：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源管理、方法设计、数据收集、正式分析、概念构建。 乔安娜·A·古尔丁（Joanna A. Guldin）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、调查、正式分析、数据整理

未引用参考文献

《环境样品中无机物质测定方法》，1993a；《环境样品中无机物质测定方法》，1993b；《环境样品中无机物质测定方法》，1993c；NASA地球观测数据；NOAA国家海洋服务局数据；USGS数据。

数据获取方式

数据可通过环境数据计划（https://doi.org/10.6073/pasta/58bbe85d494dafc9f8189e207a18b86d）获取。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢史蒂夫·埃弗特船长（Captain Steve Evert）和斯托克顿大学（Stockton University）提供R/V Petrel研究船的使用。同时感谢伊丽莎白·富克斯（Elizabeth Fuchs）、克里什·哈特（Kriish Hate）、安珀·哈特（Amber Hatter）和艾丽莎·罗宾斯（Alyssa Robbins）在2022年进行的样本采集与分析工作，感谢贝丝·克里斯滕森博士（Dr. Beth Christensen）在2022年和2023年提供的协助，以及乔纳森·汉塞尔（Jonathan Hansel）在制作图1方面的帮助。本研究得到了罗文大学（Rowan University）CATALYST项目的资助，资助对象为L.K.、C.S.和B.C。我们没有需要声明的利益冲突。